Излучение Вавилова — Черенкова

Советский физик П. А. Черенков (1904— 1990), работавший под руководством Ва­вилова, показал, что при движении реля­тивистских заряженных частиц в среде с постоянной скоростью v, превышающей фазовую скорость света в этой среде, т. е. при условии v>c/n (n — показатель преломления среды), возникает электро­магнитное излучение, названное впослед­ствии излучением (эффектом) Вавило­ва — Черенкова. Природа данного излуче­ния, обнаруженного для разнообразных веществ, в том числе и для чистых жидко­стей, подробно изучалась С. И. Вавило­вым. Он показал, что данное свечение не является люминесценцией (см. §245), как

считалось ранее, и высказал предположе­ние, что оно связано с движением свобод­ных электронов через вещество.

Излучение Вавилова — Черенкова в 1937 г. было теоретически объяснено со­ветскими учеными И. Е. Таммом (1895— 1971) и И.М.Франком (р. 1908) (Черен­ков, Тамм и Франк в 1958 г. удостоены Нобелевской премии).

Согласно электромагнитной теории, заряженная частица (например, элек­трон) излучает электромагнитные во­лны лишь при движении с ускорением. Тамм и Франк показали, что это утвер­ждение справедливо только до тех пор, пока скорость заряженной частицы не пре­вышает фазовой скорости с/n электромаг­нитных волн в среде, в которой частица движется. Если частица обладает скоро­стью v>c/n, то, даже двигаясь равномер­но, она будет излучать электромагнитные волны. Таким образом, согласно теории Тамма и Франка, электрон, движущийся в прозрачной среде со скоростью, пре­вышающей фазовую скорость света в дан­ной среде, должен сам излучать свет.

Отличительной особенностью излуче­ния Вавилова — Черенкова является его распространение не по всем направлени­ям, а лишь по направлениям, составляю­щим острый угол q с траекторией частицы,

т. е. вдоль образующих конуса, ось кото­рого совпадает с направлением скорости частицы. Определим угол q

cosq=(c/n)/v=c/(nv). (189.1)

Возникновение излучения Вавилова — Че­ренкова и его направленность истолкова­ны Франком и Таммом на основе пред­ставлений об интерференции света с ис­пользованием принципа Гюйгенса.

На основе излучения Вавилова — Че­ренкова разработаны широко используе­мые экспериментальные методы для ре­гистрации частиц высоких энергий и опре­деления их свойств (направление движе­ния, величина и знак заряда, энергия). Счетчики для регистрации заряженных частиц, в которых используется излучение Вавилова — Черенкова, получили назва­ние черенковских счетчиков. В этих счет­чиках частица регистрируется практиче­ски мгновенно (при движении заряженной частицы в среде со скоростью, превышаю­щей фазовую скорость света в данной среде, возникает световая вспышка, пре­образуемая с помощью фотоэлектронного умножителя (см. § 105) в импульс тока). Это позволило в 1955 г. итальянскому фи­зику Э. Сегре (р. 1905) открыть в черенковском счетчике короткоживущую анти­частицу — антипротон.

Контрольные вопросы

• Чем отличается нормальная дисперсия от аномальной?

• По каким признакам можно отличить спектры, полученные с помощью призмы и дифракцион­ной решетки?

• В чем заключаются основные положения и выводы электронной теории дисперсии света?

• Почему металлы сильно поглощают свет?

• В чем основное отличие эффекта Доплера для световых волн и эффекта Доплера в акустике?

• Почему поперечный эффект Доплера чисто релятивистский эффект? Чем он обусловлен?

• Когда возникает излучение Вавилова—Черенкова?

Задачи

24.1. На грань стеклянной призмы (n =1,5) нормально падает луч света. Определить угол откло­нения луча призмой, если ее преломляющий угол равен 25°. [14°21']

24.2. При прохождении света в некотором веществе пути х его интенсивность уменьшилась в два раза. Определить, во сколько раз уменьшится интенсивность света при прохождении им пути 4х. [В 16 раз]

24.3. Источник монохроматического света с длиной волны l₀=0,6 мкм движется по направлению к наблюдателю со скоростью v=0,15 с (с — скорость света в вакууме). Определить длину волны l, которую зарегистрирует приемник наблюдателя. [516 нм]

24.4. Определить минимальную кинетическую энергию (в мегаэлектрон-вольтах), которой должен обладать электрон, чтобы в среде с показателем преломления 1,5 возникло излучение Вави­лова—Черенкова. [0,17 МэВ]